参考图4364

用于汽车气囊的超低静态电流线性稳压器

Surya Prakash

摘要:本文提供的参考设计能够提高线性稳压器MAX15006/MAX15007的输出电流,满足汽车气囊的供电要求。

概述

随着汽车不断增加的电子设备,电子控制模块设计人员面临的一个重大挑战是:如何在有限的功率预算前提下提高产品性能。现如今的汽车包括众多的电子系统,例如:立体声和信息娱乐系统、雨刷控制、车灯驱动系统以及气囊等安全设施。这些系统需求都依赖于汽车电池供电,设计人员必须尽可能降低每个电子系统的功耗,特别是在汽车熄火以及汽车停放在停车场之后。

汽车发动机关闭后,电池一般仍然需要为多个系统的运转供电。为了降低这种情况下的功耗,电源管理模块引入了几个省电模式:关断微处理器时钟、通过使能输入关断转换器电路,这是两个最常见的例子。然而,有些器件和功能—例如:遥控门禁系统(PKE)和安全系统—应当始终保持工作状态,无论电源来自发电机还是电池,图1所示为典型的气囊电源模块。

本文介绍的参考设计利用MAX15006/MAX15007线性稳压器降低汽车气囊的静态电流。除了超低静态电流,这些器件还能够承受高达45V的抛负载,非常适合恶劣的汽车工作环境。另外,它们还具有低压差、宽输入电压范围、热保护和短路保护、使能输入等功能,是汽车气囊供电模块的理想选择。

图1. 典型的汽车气囊电源模块
图1. 典型的汽车气囊电源模块

辅助约束系统(SRS)的操作

气囊系统或辅助约束系统(SRS)结合座椅安全带,能够为前排乘客提供额外的保护,作为电子控制的机械运转系统,SRS工作原理如下:除非发生意外事故,否则的话,系统应该处于乘客的视线以外,安装在汽车上的碰撞和安全监测传感器用于判断意外事故的发生。当撞击的力量足够大时,这些传感器靠近它们的触点,启动相应的电路并对气囊充气。没有激活该系统时,气囊诊断监控器对系统进行监测,安装在仪表盘上的指示灯提示系统就绪。

由于诊断监控器始终保持工作状态,供电器件必须具有非常低的静态电流。另外,发生碰撞时,交流电机端子可能脱离与电池端的连接,发生抛负载。汽车环境下,即使在正常工作状态下也有可能出现较大的电池电压变化范围。

MAX15006/MAX15007具有多项优势—例如:超低静态电流、宽输入电压范围、高达45V的抛负载保护—非常适合汽车气囊的电源模块。能够支持最大电流为50mA的绝大多数应用,无需任何外部器件。而有些情况下,气囊监测系统需要的总电流超过100mA;检查气囊开启装置的就绪状态时,所需电流不超过200mA。基于这一考虑,我们需要提高MAX15006/MAX15007的输出电流,利用一个外部调整管实现。

提高稳压器的输出电流

气囊开启电路工作时的最小电流为1.2A.。气囊启动电路由开关调节器(降压或升压转换器)和线性稳压器供电。而监控系统(传感器、ADC、启动装置就绪检测等)需要的电源电流大约为150mA,超出了线性稳压器(MAX15006/MAX15007)的供电能力范围。

利用外部调整管能够扩充线性稳压器的电流驱动能力。为了提高线性稳压器的输出电流,按照下图(图2)所示将调整管连接到输入和输出之间¹,该电路将输出电流提高到150mA。

图2. 该电路在MAX15007的外部增加了一个调整管,为气囊监测系统提供足够的输出电流。
图2. 该电路在MAX15007的外部增加了一个调整管,为气囊监测系统提供足够的输出电流。

R1选择1Ω、R3选择2.2Ω电阻,以保证功耗最小。另外,R1取值小于1Ω时可能增大PNP晶体管的热耗。开始工作时,没有电流输出,外部调整管也不通过任何电流。随着工作电流的逐渐增加,它将通过二极管产生大约0.6V的压降,使二极管开始导通。二极管的导通电压为基极-发射极之间提供足够的压差,使PNP晶体管也进入导通状态,由此提供负载所需额外电流。R2的作用是补偿小电流设置下二极管较高的动态电阻。当负载电流小于25mA时,外部调整管断开。改变电阻值可以提高对该电路的供电电流。

合理选择输出电容保证系统稳定

由于该电路连接了外部晶体管,使用数据资料中规定的2.2µF输出电容时输出电压会不稳定,因为晶体管增大了稳压器的gM,这将导致单位增益带宽的提升,产生提升的原因是:

单位增益带宽 ∝ gM

为了保持与稳定状况相同的单位增益带宽,输出电容需要根据gM的增加量相应增大。gM的增加量可通过测量附加电路的电流增益获得。

外部电路的电流增益可用小信号近似电路(图3)进行计算。

图3. 必须通过计算外部电路的电流增益决定输出电容的大小
图3. 必须通过计算外部电路的电流增益决定输出电容的大小

假定ΔI是没有外部调整管时稳压器负载电流的变化量。连接外部调整管后,流过PNP调整管的电流变化量为K ΔI。因此,由于外部调整管的存在,负载电流总的变化量为ΔI + K ΔI,即:(1 + K) ΔI。所以,gM增加了(1 + K)倍,那么,为了保证相同的单位增益带宽,输出电容也应该增加(1 + K)倍。

在我们的电路中,K值可通过下式计算:

公式1

考虑到寄生效应的影响,所要求的电容值是数据资料规定的最小值的5.45倍。据此,在输出端连接了一个12.2µF的电容,确保系统在增添外部晶体管后保持稳定。

图4图5分别给出了通过外部调整管为负载提供的150mA固定电流和150mA瞬变电流的情况,通道1表示输出电压,通道4表示外部调整管提供的电流,通道2表示1Ω负载串联电阻的电压,也体现了总负载电流的大小。所以,总的负载电流为150mA,109mA由外部调整管提供,其余41mA由稳压器IC提供。

图4. 图3电路的工作性能,输出固定的150mA负载电流
图4. 图3电路的工作性能,输出固定的150mA负载电流

通道1:输出电压
通道2:负载电流正比于1Ω负载串联电阻的电压
通道4:通过外部调整管提供的电流


图5. 图3电路的工作性能,负载瞬变电流为150mA
图5. 图3电路的工作性能,负载瞬变电流为150mA

通道1:输出电压
通道2:负载电流正比于1Ω负载串联电阻的电压
通道4:通过外部调整管提供的电流

结论

通过将汽车应用的多种需求集成到单片IC,MAX15006/MAX15007可直接用于目前的汽车设计,使汽车电子工程师的工作变得轻松。本文提供的参考设计只需极少的外部电路,所使用的IC可以满足更高的负载电流需求,从而拓宽了它们的应用领域。



参考文献
  1. 应用笔记3333, "Pass Transistor Enhances Regulator's Output Current"。


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MAX15007 40V、超低静态电流线性稳压器,6引脚TDFN/8引脚SO封装 免费样品  


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